鈹(Beryllium)是第二周期第二主族元素,原子序數為4,元素符號Be,是一種(zhong)(zhong)灰(hui)白(bai)色的堿土金屬(shu),屬(shu)六方晶(jing)系,質硬,有(you)展(zhan)性。鈹及其化(hua)合物都有(you)劇毒。鈹既能溶于酸也能溶于堿液(ye),是兩性金屬(shu),鈹主要用于原子能反應堆材料(liao),宇航工程材料(liao),各種(zhong)(zhong)合金,X射線透射窗等。
2017年10月27日,世界衛生組織國際癌(ai)癥研究機構公布的致(zhi)癌(ai)物清單初步整理參考,鈹在1類致(zhi)癌(ai)物清單中。
1798年(nian),法國(guo)化(hua)(hua)學(xue)家沃克(ke)蘭(Vauquelin Niclas Louis,1763~1829)對(dui)綠柱(zhu)石和祖母綠進行化(hua)(hua)學(xue)分(fen)析時發(fa)現了鈹(pi)(pi)。但是,單質(zhi)鈹(pi)(pi)在三十年(nian)后的1828年(nian)由德國(guo)化(hua)(hua)學(xue)家維勒(Friedrich Woler,1800~1882)用金屬鉀還原熔(rong)融的氯化(hua)(hua)鈹(pi)(pi)而(er)得到的。
克(ke)拉普羅特曾經分(fen)析過秘(mi)魯出(chu)產的(de)綠(lv)玉(yu)石(shi),但他(ta)(ta)卻沒能發(fa)現(xian)鈹(pi)。柏格曼也(ye)曾分(fen)析過綠(lv)玉(yu)石(shi),結論(lun)是一(yi)種(zhong)鋁(lv)和鈣(gai)的(de)硅酸鹽。18世紀末,化學(xue)家沃克(ke)蘭應法國(guo)礦物學(xue)家阿羽伊的(de)請(qing)求對金綠(lv)石(shi)和綠(lv)柱(zhu)(zhu)石(shi)進行了化學(xue)分(fen)析。沃克(ke)蘭發(fa)現(xian)兩者的(de)化學(xue)成分(fen)完全相同,并發(fa)現(xian)其(qi)中含(han)有(you)一(yi)種(zhong)新(xin)元(yuan)素(su),稱它(ta)為Glucinium,這一(yi)名詞(ci)來自希(xi)臘(la)文glykys,是甜的(de)意思,因(yin)為鈹(pi)的(de)鹽類(lei)有(you)甜味。沃克(ke)蘭在1798年2月15日在法國(guo)科學(xue)院宣讀了他(ta)(ta)發(fa)現(xian)新(xin)元(yuan)素(su)的(de)論(lun)文。由于(yu)釔的(de)鹽類(lei)也(ye)有(you)甜味,后(hou)來維勒把它(ta)命(ming)名為Beryllium,它(ta)來源于(yu)鈹(pi)的(de)主要(yao)礦石(shi)──綠(lv)柱(zhu)(zhu)石(shi)的(de)英文名稱beryl。
已(yi)知含(han)(han)(han)鈹(pi)礦物有(you)30多(duo)種,但直到1968年,其中(zhong)僅綠(lv)柱石(shi)具有(you)工業價值。綠(lv)柱石(shi)是一種鈹(pi)鋁硅(gui)酸鹽,其通(tong)式為Be3Al2(SiO3)6,理論上(shang)含(han)(han)(han)BeO近14%。實際上(shang)BeO含(han)(han)(han)量一般(ban)為9~13%;主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)產于(yu)巴(ba)西(xi)、阿根廷(ting)、印度、南非等。中(zhong)國新疆、江(jiang)西(xi)等地也出(chu)產。1968年開始使(shi)用含(han)(han)(han)水硅(gui)鈹(pi)石(shi)制(zhi)鈹(pi)。含(han)(han)(han)水硅(gui)鈹(pi)石(shi)中(zhong)氧化鈹(pi)的理論含(han)(han)(han)量為39~42%,但是工業礦物呈(cheng)高度分散(san)狀態,氧化鈹(pi)含(han)(han)(han)量只有(you)1.7~2.5%,主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)產于(yu)美國。
鈹是鋼灰色金屬輕金屬。鈹的(de)硬度(du)比同族(zu)金屬高,不像鈣、鍶、鋇可以用刀子(zi)切割。
比熱容(rong):1.82J/gK 蒸發熱:292.4KJ/mol 熔化熱:12.2KJ/mol 導電率:0.313×106/cm
導熱(re)系數:2.01W/(cm·K)莫氏硬(ying)度:5.5原子(zi)半(ban)徑:112pm共價半(ban)徑:90pm
蒸氣壓(ya):4180Pa
第一電離能:899.5kJ/mol
第二電(dian)離能:1757kJ/mol
第三電離能(neng):14848.7kJ/mol
鈹(pi)共有12個同位素(su),其中有1個是穩定(ding)的。
符號 Z(p) N(n) 質量(u) 半衰期(qi) 原子核自旋 相對豐度
Be 4 1 5.04079(429)# (1/2+) #
Be 4 2 6.019726(6) 5.0(3)E-21 s 0+
[0.092(6) MeV]
Be 4 3 7.01692983(11) 53.22(6) d 3/2-
Be 4 4 8.00530510(4) 67(17)E-18 s 0+
[6.8(17)eV]
Be 4 5 9.0121822(4) 穩定 3/2- 1
Be 4 6 10.0135338(4) 1.51(6)E+6 a 0+
Be 4 7 11.021658(7) 13.81(8) s 1/2+
Be 4 8 12.026921(16) 21.49(3) ms 0+
Be 4 9 13.03569(8)
Be 4 10 14.04289(14) 4.84(10) ms 0+
Be 4 11 15.05346(54)# <200 ns
Be 4 12 16.06192(54)# <200 ns 0+
Be 4 13 17.0485# <200 ns #(假想粒(li)子)
鈹(pi)和(he)鋰(li)一樣(yang),在(zai)空(kong)氣中形成(cheng)保護(hu)性(xing)氧化(hua)層(ceng),故在(zai)空(kong)氣中即使紅熱時也很(hen)穩定。不溶(rong)于冷(leng)水,微溶(rong)于熱水,可(ke)溶(rong)于稀鹽(yan)酸,稀硫酸和(he)氫(qing)氧化(hua)鉀(jia)溶(rong)液(ye)而放出氫(qing)。金(jin)屬鈹(pi)對于無氧的(de)(de)金(jin)屬鈉即使在(zai)較高的(de)(de)溫(wen)度下,也有明(ming)顯(xian)的(de)(de)抗腐蝕(shi)性(xing)。鈹(pi)價(jia)態為+2價(jia),可(ke)以形成(cheng)聚合物以及具有顯(xian)著熱穩定性(xing)的(de)(de)一類(lei)共(gong)價(jia)化(hua)合物。
Be原子(zi)的(de)價(jia)電(dian)子(zi)層(ceng)結(jie)構為(wei)(wei)2s2,它(ta)的(de)原子(zi)半徑為(wei)(wei)89pm,Be2+離(li)子(zi)半徑為(wei)(wei)31pm,Be的(de)電(dian)負性(xing)為(wei)(wei)1.57。鈹由于原子(zi)半徑和(he)離(li)子(zi)半徑特別小,電(dian)負性(xing)又相對較高,所以鈹形(xing)成共價(jia)鍵的(de)傾向(xiang)比較顯著(zhu),不(bu)(bu)像(xiang)同族其它(ta)元素主要形(xing)成離(li)子(zi)型化(hua)合物。因此(ci)鈹常表現出不(bu)(bu)同于同族其它(ta)元素的(de)反常性(xing)質。
(1)鈹由(you)于表面易(yi)形成(cheng)致密的保護(hu)膜而不與水作用,而同族其(qi)它(ta)金屬(shu)鎂、鈣(gai)、鍶、鋇(bei)均(jun)易(yi)與水反應。
(2)氫氧(yang)化鈹是兩性的,而同(tong)族其它(ta)元素的氫氧(yang)化物均是中強堿或強堿性的。
(3)鈹鹽強烈地水(shui)解生成四(si)面體型的離(li)子[Be(H2O)4]2+,Be-O鍵(jian)很強,這就削弱了O-H鍵(jian),因此(ci)水(shui)合鈹離(li)子有失去質子的傾向:
因此鈹鹽在(zai)純水中是酸性的。而同族其他元素(鎂除外(wai))的鹽均沒有水解作用。
1、氧化鈹
鈹(pi)(pi)在氧(yang)(yang)氣中燃燒,或鈹(pi)(pi)的(de)(de)碳酸鹽(yan)、硝(xiao)酸鹽(yan)、氫(qing)氧(yang)(yang)化(hua)物(wu)加(jia)熱(re)分(fen)解,都可以得到(dao)白色末狀的(de)(de)氧(yang)(yang)化(hua)鈹(pi)(pi)BeO,它的(de)(de)熔點為2803K,難溶(rong)于水(shui),也(ye)不容(rong)易溶(rong)于乙醇(chun),可用做耐高溫材料(liao)。BeO是共價型的(de)(de),并(bing)具有44的(de)(de)硫化(hua)鋅(xin)(閃鋅(xin)礦型)結(jie)構。BeO不溶(rong)于水(shui),但(dan)能溶(rong)于酸生(sheng)成(cheng)的(de)(de)鈹(pi)(pi)鹽(yan),也(ye)能溶(rong)于堿生(sheng)成(cheng)的(de)(de)鈹(pi)(pi)酸鹽(yan),BeO是兩性氧(yang)(yang)化(hua)物(wu)。
2、氫氧化鈹
氫氧化鈹是白色固體,在(zai)水中溶解度較小,它是兩性氫氧化物,溶于(yu)酸形成Be2+,溶于(yu)堿形成[Be(OH)4]2-。
3、氫化鈹
Be不(bu)能與H2直(zhi)接化(hua)(hua)合生成氫化(hua)(hua)鈹,但(dan)用氫化(hua)(hua)鋁鋰(li)還(huan)原氯化(hua)(hua)鈹可(ke)以制得氫化(hua)(hua)鈹。
氫(qing)化鈹是共價型化合物,它(ta)的結構類(lei)似于乙(yi)硼烷的結構,在兩個(ge)Be原子之間形成了氫(qing)橋鍵。
每個Be原(yuan)(yuan)子(zi)同四(si)個H原(yuan)(yuan)子(zi)相聯結(jie)(jie),每個H原(yuan)(yuan)子(zi)生成(cheng)兩個鍵(jian)。由于Be原(yuan)(yuan)子(zi)只有2個價(jia)電(dian)(dian)子(zi),在氫(qing)(qing)化(hua)鈹(pi)中沒有足夠的(de)電(dian)(dian)子(zi)去形成(cheng)正常(chang)的(de)電(dian)(dian)子(zi)對鍵(jian)(即兩個原(yuan)(yuan)子(zi)之間共用兩個電(dian)(dian)子(zi)),氫(qing)(qing)化(hua)鈹(pi)是缺(que)電(dian)(dian)子(zi)化(hua)合物。因此在Be-H-Be橋(qiao)狀(zhuang)結(jie)(jie)合中,生成(cheng)“香蕉形”的(de)三中心兩電(dian)(dian)子(zi)鍵(jian)。這是一(yi)個簇狀(zhuang)化(hua)合物。
4、氯化鈹
氯化鈹是共價型化合(he)物,在空(kong)氣中會吸潮(chao)并(bing)由于水解而(er)發煙:
BeCl2+H2O=BeO+2HCl
氯化鈹能升華(hua)并(bing)且(qie)不傳導電流。無水(shui)氯化鈹是聚合型的(BeCl?)?。
5、硫化鈹
硫化鈹(BeS)是(shi)灰(hui)白色粉末,相對密(mi)度2.36。可由(you)氯化鈹和(he)無水硫化氫反應得到。
6、碳化鈹
碳化鈹(Be2C)為黃紅色固體,遇(yu)水分(fen)解。由(you)鈹粉和優質石墨粉反(fan)應得到。
7、鈹的配合物
由于鈹是缺電子(zi)原子(zi),它(ta)的鹵化物(wu)是路易(yi)斯酸,容易(yi)與電子(zi)對(dui)給予(yu)體形成配合物(wu)或加合物(wu)。因此鈹能(neng)生成許多配合物(wu)。
1923年美國物理化學家路易(yi)斯提出酸(suan)(suan)堿(jian)(jian)電子(zi)理論認為:凡(fan)(fan)是(shi)可以接(jie)受電子(zi)對(dui)(dui)的物質稱(cheng)為酸(suan)(suan),凡(fan)(fan)是(shi)可以給(gei)出電子(zi)對(dui)(dui)的物質稱(cheng)為堿(jian)(jian)。酸(suan)(suan)是(shi)電子(zi)對(dui)(dui)接(jie)受體,堿(jian)(jian)是(shi)電子(zi)對(dui)(dui)給(gei)予體。
鈹還能生成許多(duo)穩定(ding)的(de)螯合(he)(he)物。例如(ru)將氫(qing)氧化鈹與醋(cu)酸一(yi)起蒸(zheng)發(fa),就(jiu)生成了堿式醋(cu)酸鈹Be4O(CH3COO)6。這是(shi)一(yi)個共價化合(he)(he)物,其中(zhong)4個Be原子(zi)包圍著(zhu)一(yi)個中(zhong)心(xin)O原子(zi),6個醋(cu)酸根Ac-則沿著(zhu)四面(mian)體的(de)6條棱邊而排布。這個配合(he)(he)物是(shi)共價的(de),并且能夠被蒸(zheng)餾,可用于鈹的(de)提純。
在(zai)鈹的(de)其(qi)他螯合(he)物(wu)(wu)(wu)中,如草(cao)酸(suan)鈹鹽、萘酚(fen)配(pei)合(he)物(wu)(wu)(wu)和乙酰丙(bing)酮配(pei)合(he)物(wu)(wu)(wu)等,在(zai)這些螯合(he)物(wu)(wu)(wu)中,鈹原子都是四面體(ti)地被包圍著。鈹的(de)化合(he)物(wu)(wu)(wu)有極高的(de)毒性就(jiu)是由(you)于(yu)它們(men)有極高的(de)溶解度和它們(men)很容易形成配(pei)合(he)物(wu)(wu)(wu)之故。
在(zai)周(zhou)期表中(zhong),鈹與第IIIA族中(zhong)的(de)(de)鋁處于對角線(xian)位(wei)置,它們的(de)(de)性(xing)質十(shi)分相(xiang)似。
1.標準(zhun)電極電勢(shi)相近(jin):都是活潑金屬。
2.都是親(qin)氧元素,金(jin)屬(shu)表面易(yi)形成氧化物保護膜,都能被濃HNO?鈍化。
3.均(jun)為(wei)兩性金屬(shu)。氫氧化物也均(jun)呈兩性。
4.氧化物(wu)BeO和Al2O3都(dou)具有(you)高(gao)熔(rong)點(dian)、高(gao)硬度(du)。
5.BeCl2和(he)AlCl3都是缺電子的(de)共(gong)價型化合物,通過橋鍵形成聚合分(fen)子。
6.鈹鹽、鋁鹽都易水解,水解顯酸(suan)性。
7.碳化鈹Be2C像Al4C3一樣,水解時產生甲烷。
盡管Be和Al有許多相(xiang)似(si)的(de)(de)(de)化學性質(zhi),但兩者在人(ren)體(ti)內的(de)(de)(de)生理作用極不相(xiang)同。人(ren)體(ti)能(neng)容(rong)納適量的(de)(de)(de)鋁,卻不能(neng)有一點兒鈹,吸入少量的(de)(de)(de)BeO,就有致(zhi)命的(de)(de)(de)危(wei)險。
鈹(pi)(pi)(pi)(pi)的(de)(de)(de)化(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)如氧化(hua)(hua)(hua)鈹(pi)(pi)(pi)(pi)、氟化(hua)(hua)(hua)鈹(pi)(pi)(pi)(pi)、氯化(hua)(hua)(hua)鈹(pi)(pi)(pi)(pi)、硫化(hua)(hua)(hua)鈹(pi)(pi)(pi)(pi)、硝酸鈹(pi)(pi)(pi)(pi)等毒性(xing)較大,而金屬鈹(pi)(pi)(pi)(pi)的(de)(de)(de)毒性(xing)相(xiang)對比較小些。鈹(pi)(pi)(pi)(pi)是全身(shen)性(xing)毒物(wu)。毒性(xing)的(de)(de)(de)大小,取決(jue)于入體(ti)途徑、不同鈹(pi)(pi)(pi)(pi)化(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)的(de)(de)(de)理化(hua)(hua)(hua)性(xing)質及(ji)實驗動物(wu)的(de)(de)(de)種類。一般而言,可溶性(xing)鈹(pi)(pi)(pi)(pi)的(de)(de)(de)毒性(xing)大,難溶性(xing)的(de)(de)(de)毒性(xing)小;靜脈注入時毒性(xing)最(zui)大,呼吸道次之,經(jing)口及(ji)經(jing)皮(pi)毒性(xing)最(zui)小。鈹(pi)(pi)(pi)(pi)進入人體(ti)后,難溶的(de)(de)(de)氧化(hua)(hua)(hua)鈹(pi)(pi)(pi)(pi)主(zhu)要儲存在(zai)肺(fei)部,可引起(qi)肺(fei)炎(yan)。可溶性(xing)的(de)(de)(de)鈹(pi)(pi)(pi)(pi)化(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)主(zhu)要儲存在(zai)骨骼、肝臟(zang)、腎臟(zang)和淋巴(ba)結等處,它們(men)可與血漿蛋白作用,生成蛋白復(fu)合(he)物(wu),引起(qi)臟(zang)器或組(zu)(zu)織的(de)(de)(de)病變而致癌(ai)。鈹(pi)(pi)(pi)(pi)從人體(ti)組(zu)(zu)織中排(pai)泄出(chu)去的(de)(de)(de)速度極其緩慢。因此,接觸(chu)鈹(pi)(pi)(pi)(pi)及(ji)其化(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)要格外小心。
鈹(pi)作為一(yi)種新興材料(liao)日益(yi)被重(zhong)視,鈹(pi)是原子能、火箭、導彈、航空、宇(yu)宙航行以(yi)及冶金工業中(zhong)不可缺少的寶貴材料(liao)。
1、在所有(you)(you)的金(jin)屬中,鈹透過X射(she)線的能力最強,有(you)(you)金(jin)屬玻(bo)璃之稱(cheng),所以鈹是制造X射(she)線管小窗口不(bu)可取代的材(cai)料。
2、鈹(pi)是原子(zi)能(neng)(neng)(neng)工業(ye)之寶。在原子(zi)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)堆(dui)里,鈹(pi)是能(neng)(neng)(neng)夠(gou)提供大量中(zhong)(zhong)子(zi)炮彈的中(zhong)(zhong)子(zi)源(yuan)(每(mei)秒(miao)鐘內能(neng)(neng)(neng)產生(sheng)幾十萬個中(zhong)(zhong)子(zi));鈹(pi)對快中(zhong)(zhong)子(zi)有(you)(you)很(hen)強的減速作用,可以使裂變(bian)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)連續不斷地進行下去,所以鈹(pi)是原子(zi)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)堆(dui)中(zhong)(zhong)最(zui)好的中(zhong)(zhong)子(zi)減速劑。為(wei)了防止中(zhong)(zhong)子(zi)跑出反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)堆(dui)危及(ji)工作人員的安(an)全,反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)堆(dui)的四(si)周得有(you)(you)一圈(quan)中(zhong)(zhong)子(zi)反(fan)(fan)(fan)(fan)射層,用來強迫那些企(qi)圖跑出反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)堆(dui)的中(zhong)(zhong)子(zi)返(fan)回反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)堆(dui)中(zhong)(zhong)去。鈹(pi)的氧化物(wu)不僅能(neng)(neng)(neng)夠(gou)像鏡子(zi)反(fan)(fan)(fan)(fan)射光線那樣把中(zhong)(zhong)子(zi)反(fan)(fan)(fan)(fan)射回去,而(er)且熔點高,特別能(neng)(neng)(neng)耐高溫,是反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)堆(dui)里中(zhong)(zhong)子(zi)反(fan)(fan)(fan)(fan)射層的最(zui)好材(cai)料。
3、鈹是優秀的(de)宇航材料。人造(zao)衛星(xing)的(de)重(zhong)量(liang)每增加(jia)(jia)一公斤,運載火(huo)箭的(de)總(zong)重(zhong)量(liang)就要(yao)(yao)增加(jia)(jia)大(da)約500kg。制造(zao)火(huo)箭和衛星(xing)的(de)結構材料要(yao)(yao)求重(zhong)量(liang)輕(qing)、強(qiang)度大(da)。鈹比常用的(de)鋁和鈦都(dou)輕(qing),強(qiang)度是鋼的(de)四倍。鈹的(de)吸熱能(neng)力(li)強(qiang),機械(xie)性(xing)能(neng)穩定。
4、在冶金工業中,含鈹1%~3.5%的(de)青(qing)銅叫做鈹青(qing)銅,機械性(xing)能比鋼好(hao),且抗腐(fu)蝕性(xing)好(hao),還保持有很高的(de)導電性(xing)。被(bei)用來制造手表(biao)里(li)的(de)游絲,高速軸承,海底電纜(lan)等。
5、含有一定數量(liang)鎳(nie)的(de)鈹青銅受(shou)撞(zhuang)擊時不(bu)(bu)產生(sheng)火花(hua),利用(yong)這(zhe)一奇(qi)妙的(de)性質,可制作石油、礦山工業(ye)專(zhuan)用(yong)的(de)鑿子、錘(chui)子、鉆頭等,防(fang)止火災和(he)爆(bao)炸事故。含鎳(nie)的(de)鈹青銅不(bu)(bu)受(shou)磁鐵吸引,可制造防(fang)磁零件(jian)。
工業用(yong)鈹(pi)大部(bu)(bu)分(fen)以(yi)氧(yang)化鈹(pi)形態用(yong)于(yu)鈹(pi)銅(tong)合金的(de)(de)生(sheng)產小(xiao)部(bu)(bu)分(fen)以(yi)金屬鈹(pi)形態應(ying)(ying)用(yong),另有小(xiao)量用(yong)做氧(yang)化鈹(pi)陶瓷等(deng)。40年(nian)(nian)代(dai)(dai)前金屬鈹(pi)用(yong)做X光(guang)窗和中子源等(deng),從40年(nian)(nian)代(dai)(dai)中期到60年(nian)(nian)代(dai)(dai)初,主要(yao)用(yong)于(yu)原子能領(ling)域,如(ru)利用(yong)鈹(pi)能使中子增殖作試驗反應(ying)(ying)堆的(de)(de)反射層、減速(su)劑和核武器部(bu)(bu)件等(deng)。1956年(nian)(nian)慣性導航系(xi)統首次(ci)使用(yong)鈹(pi)陀螺(luo),從此開(kai)辟了(le)鈹(pi)應(ying)(ying)用(yong)的(de)(de)重(zhong)要(yao)領(ling)域。60年(nian)(nian)代(dai)(dai)鈹(pi)的(de)(de)主要(yao)用(yong)途轉(zhuan)入航天與(yu)航空領(ling)域,用(yong)于(yu)制造飛行(xing)器的(de)(de)部(bu)(bu)件。
X射線對(dui)鈹有很高的(de)透過(guo)能力(li)。鈹核被中(zhong)子(zi)(zi)、粒子(zi)(zi)、氘(dao)核及(ji)γ射線撞擊或照射時產生中(zhong)子(zi)(zi),因此鈹是一種中(zhong)子(zi)(zi)源材料。鈹原子(zi)(zi)的(de)熱中(zhong)子(zi)(zi)吸收(shou)截面為0.009靶恩。